DE102010039640A1 - Traction Inverter - Google Patents

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Jan Weigel
Mark-Matthias Bakran
Andreas Nagel
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Traktionsstromrichter mit einer netzseitigen Einspeisevorrichtung (2), einem lastseitigen selbstgeführten Pulsstromrichters (4) und einem Hilfsbetriebe-Stromrichter (6), wobei diese Einspeisevorrichtung (2) eingangsseitig eine Vielzahl elektrisch in Reihe geschalteter primärer Stromrichter-Gruppen (38) aufweist, die mittels einer Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung mit wenigstens einem Ausgangs-Stromrichter (56) verknüpft sind, dessen gleichspannungsseitigen Anschlüssen mit gleichspannungsseitigen Anschlüssen des lastseitigen selbstgeführten Pulsstromrichters (4) elektrisch leitend verbunden sind. Erfindungsgemäß ist der Hilfsbetriebe-Stromrichter (6) mit einer Einrichtung zur Auskopplung einer Hilfsbetriebeleistung aus einer Hauptfeldspannung der Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung verknüpft. Somit erhält man einen netztrafolosen Traktionsstromrichter, dessen Hilfsbetriebe-Energieversorgungspfade zwei Energieumwandlungen weniger aufweist, wodurch nicht nur an Gewicht und damit Kosten eingespart wird, sondern auch die Zuverlässigkeit erhöht wird.The invention relates to traction converters with a mains-side feed device (2), a load-side self-commutated pulse converter (4) and an auxiliary power converter (6), this feed device (2) on the input side having a large number of primary converter groups (38) electrically connected in series. which are linked by means of a medium-frequency transformer device to at least one output converter (56), the DC-side connections of which are electrically conductively connected to DC-side connections of the load-side self-commutated pulse converter (4). According to the invention, the auxiliary power converter (6) is linked to a device for decoupling auxiliary power from a main field voltage of the medium-frequency transformer device. The result is a traction converter without mains power, the auxiliary power supply paths of which have two energy conversions less, which not only saves weight and thus costs, but also increases reliability.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Traktionsstromrichter gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a traction converter according to the preamble of claim 1.

Ein gattungsgemäßer Traktionsstromrichter ist aus der in der 1 näher dargestellten Ausführungsform, die aus der Veröffentlichung mit dem Titel ”Medium Frequency Topology in Railway Applications” von Dr. Michael Steiner und Dr. Harry Reinold, abgedruckt im Konferenzband der European Conference an Power Electronics and Applications, Alborg 2007 , bekannt ist.A generic traction converter is from in the 1 illustrated embodiment, the title of the publication "Medium Frequency Topology in Railway Applications" by Dr. med. Michael Steiner and dr. Harry Reinold, reprinted in the conference proceedings of the European Conference on Power Electronics and Applications, Alborg 2007 , is known.

Gemäß der Darstellung dieser 1 weist ein gattungsgemäßer Traktionsstromrichter eine netzseitige Einspeisevorrichtung 2, einen lastseitigen selbstgeführten Pulsstromrichter 4 und einen Hilfsbetriebe-Stromrichter 6 auf. Am lastseitigen selbstgeführten Pulsstromrichter 4 sind zwei Drehstrommotoren 8 angeschlossen. Im Spannungszwischenkreis 10 dieses Traktionsstromrichters sind ein Saugkreis 12 und ein Kurzschließer 14 angeordnet. Mittels dieses Zwischenkreises 10 sind die beiden gleichspannungsseitigen Ausgänge 16 und 18 der netzseitigen Einspeisevorrichtung 2 und die gleichspannungsseitigen Eingänge 20 und 22 des lastseitigen selbstgeführten Pulsstromrichters 4 elektrisch leitend miteinander verbunden. Die netzseitige Einspeisevorrichtung 2 ist mittels einer Eingangsdrossel LF, eines Schützes 24 bzw. 26 und eines Stromabnehmers 28 bzw. 30 mit einem Fahrdraht 32 bzw. 34 verbindbar. Der Fahrdraht 32 weist eine Netzwechselspannung von 15 kV, 16.7 Hz auf, wogegen der Fahrdraht 34 eine Netzwechselspannung von 25 kV, 50 Hz aufweist. Diese Spannungen stehen zwischen Fahrdraht 32 bzw. 34 und einem Rad 36 eines schienengebundenen Fahrzeugs an. Diese Netzwechselspannung fällt somit an einer Vielzahl elektrisch in Reihe geschalteter Stromrichter-Gruppen 38 ab.As shown 1 For example, a generic traction converter has a mains supply device 2 , a load-side self-commutated pulse-controlled converter 4 and an auxiliary power converter 6 on. On the load-side self-commutated pulse-controlled converter 4 are two three-phase motors 8th connected. In the voltage intermediate circuit 10 This traction converter is a absorption circuit 12 and a short circuiter 14 arranged. By means of this intermediate circuit 10 are the two DC side outputs 16 and 18 the network-side feed device 2 and the DC side inputs 20 and 22 the load-side self-commutated pulse converter 4 electrically connected to each other. The mains supply unit 2 is by means of an input inductor L F , a contactor 24 respectively. 26 and a pantograph 28 respectively. 30 with a contact wire 32 respectively. 34 connectable. The contact wire 32 has an AC mains voltage of 15 kV, 16.7 Hz, whereas the contact wire 34 an AC line voltage of 25 kV, 50 Hz has. These voltages are between contact wire 32 respectively. 34 and a bike 36 a rail-bound vehicle. This AC line voltage thus falls on a variety of electrically connected in series power converter groups 38 from.

Jede Stromrichter-Gruppe 38 weist eingangsseitig einen Schalter 40 auf, mit dem eine fehlerhafte Stromrichter-Gruppe 38 kurzgeschlossen werden kann, damit der Traktionsstromrichter redundant Weiterbetrieben werden kann. Jede Stromrichter-Gruppe 38 weist netzseitig einen Vierquadrantensteller 42 und gleichspannungsseitig einen Serienresonanz-DC/DC-Stromrichter 44 in Vollbrückenschaltung auf. Diese beiden Stromrichterschaltungen 42 und 44 sind gleichspannungsseitig miteinander verknüpft. Die genauen Schaltungsausführungen dieser Stromrichterschaltungen 42 und 44 einer jeden Stromrichter-Gruppe 38 der Einspeisevorrichtung 2 sind der eingangs genannten Veröffentlichung entnehmbar. Ausgangsseitig sind diese Serienresonanz-DC/DC-Stromrichter 44 elektrisch parallel geschaltet.Each power converter group 38 has a switch on the input side 40 on, with which a faulty power converter group 38 can be shorted so that the traction converter can be operated redundantly. Each power converter group 38 has a four-quadrant controller on the network side 42 and on the DC side a series resonance DC / DC converter 44 in full bridge connection. These two power converter circuits 42 and 44 are linked on the DC side. The exact circuit designs of these power converter circuits 42 and 44 of each power converter group 38 the feed device 2 can be removed from the publication mentioned above. On the output side, these are series resonance DC / DC converters 44 electrically connected in parallel.

Bei dieser Ausführungsform der Einspeisevorrichtung 2 eines Traktionsstromrichters weist eine Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung eine Vielzahl von einphasigen Transformatoren, die nicht untereinander magnetisch gekoppelt sind, auf. Dadurch bildet jede Stromrichter-Gruppe 38 eine selbstständige Baueinheit. Somit kann abhängig von der Netzspannung eine beliebige Anzahl von Stromrichter-Gruppen 38 kaskadiert werden.In this embodiment of the feeding device 2 In a traction converter, a medium frequency transformer means comprises a plurality of single phase transformers which are not magnetically coupled to each other. This forms each converter group 38 an independent unit. Thus, depending on the mains voltage, any number of power converter groups 38 be cascaded.

Mittels dieser netzseitigen Einspeisevorrichtung 2 eines Traktionsstromrichters wird der ansonsten verwendete Traktionstransformator ersetzt, der insbesondere bei einer Netzfrequenz von 16.7 Hz groß und schwer ist. Durch diese Einspeisevorrichtung 2 können 50% des Gewichts und 30% des Bauvolumens eines Traktionstransformators eingespart werden. Da kein Traktionstransformator mehr benötigt wird, wird diese Einspeisevorrichtung 2 eines Traktionsstromrichters als netztrafolose Einspeisevorrichtung bezeichnet.By means of this network-side feed device 2 of a traction converter, the otherwise used traction transformer is replaced, which is large and heavy in particular at a mains frequency of 16.7 Hz. Through this feeding device 2 can be saved 50% of the weight and 30% of the volume of a traction transformer. Since no more traction transformer is needed, this feed device 2 a traction converter referred to as a power-less feed device.

In der 2 ist eine zweite Ausführungsform der Einspeisevorrichtung 2 eines gattungsgemäßen Traktionsstromrichters näher dargestellt. Eine derartig ausgebildete Einspeisevorrichtung 2 ist aus der Veröffentlichung ”15 kV/16.7 Hz Energy Supply System with Medium Frequency Transformer and 6.5 kV IGBTs in Resonant Operation” von B. Engel, M. Victor, G. Bachmann und A. Falk, veröffentlicht im Konferenzband der EPE-Konferenz 2003 in Toulouse, bzw. aus der EP 1 226 994 A1 bekannt. Gemäß dieser Veröffentlichung bzw. der EP-Offenlegungsschrift weist jede Stromrichter-Gruppe 38 einen netzseitigen Vierquadrantensteller 42 und ausgangsseitig einen serienresonanten Stromrichter 46 auf, die gleichspannungsseitig elektrisch parallel geschaltet sind. Ausgangsseitig ist jeder serienresonante Stromrichter 46 mit einer Primärwicklung 48 eines Mittelfrequenz-Transformators 50 elektrisch leitend verbunden, der sekundärseitig eine Sekundärwicklung 52 aufweist. Die Vielzahl der Primärwicklungen 48 und die Sekundärwicklung 52 sind gemeinsam auf einem Kern 54 angeordnet, so dass diese Wicklungen 48 und 52 magnetisch gekoppelt sind. Dieser Mittelfrequenz-Transformator 50 mit seinen Wicklungen 48 und 52 auf einem gemeinsamen Kern 54 bildet eine weitere Ausführungsform der Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung der Einspeisevorrichtung 2. Die Sekundärwicklung 52 ist mit einem Ausgangs-Stromrichter 56 verknüpft, dessen beide gleichspannungsseitigen Anschlüsse die gleichspannungsseitigen Ausgänge 16 und 18 der Einspeisevorrichtung 2 bilden. Als Ausgangs-Stromrichter 56 ist ein Vierquadrantensteller vorgesehen, der ausgangsseitig mit einem Stützkondensator mit elektrisch parallel geschaltetem Saugkreis verbunden ist. Der Stützkondensator und der Saugkreis sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht näher dargestellt. Der genaue Aufbau einer jeden Stromrichter-Gruppe 38 ist der genannten Veröffentlichung bzw. der EP-Offenlegungsschrift entnehmbar.In the 2 is a second embodiment of the feed device 2 a generic Traktionsstromrichters shown in more detail. Such a trained feeding device 2 is from the publication "15 kV / 16.7 Hz Energy Supply System with Medium Frequency Transformer and 6.5 kV IGBTs in Resonant Operation" by B. Engel, M. Victor, G. Bachmann and A. Falk, published in the conference proceedings of the 2003 EPE Conference in Toulouse, or from the EP 1 226 994 A1 known. According to this publication or EP-Offenlegungsschrift, each converter group 38 a network-side four-quadrant controller 42 and on the output side a series resonant power converter 46 on, the DC side are electrically connected in parallel. On the output side, each series resonant power converter is 46 with a primary winding 48 a medium-frequency transformer 50 electrically connected, the secondary side, a secondary winding 52 having. The variety of primary windings 48 and the secondary winding 52 are together at one core 54 arranged so that these windings 48 and 52 are magnetically coupled. This medium frequency transformer 50 with his windings 48 and 52 on a common core 54 forms another embodiment of the medium-frequency transformer device of the feed device 2 , The secondary winding 52 is with an output power converter 56 whose two DC-side connections the DC voltage side outputs 16 and 18 the feed device 2 form. As output converter 56 a four-quadrant controller is provided, which is connected on the output side to a backup capacitor with an electrical parallel-connected absorption circuit. The backup capacitor and the absorption circuit are not shown in detail for reasons of clarity. The exact structure of each power converter group 38 is the referred to in the publication or the EP-Offenlegungsschrift.

Diese Ausführungsform des Traktionsstromrichters weist außerdem einen Hilfsbetriebe-Stromrichter 6 und eine Batterie 58 auf. Dieser Hilfsbetriebe-Stromrichter 6 und die Batterie 58 sind jeweils mittels eines potentialtrennenden DC/DC-Wandler 60 mit den gleichspannungsseitigen Anschlüssen 16 und 18 der Einspeisevorrichtung 2 verknüpft. Dieser potentialtrennende DC/DC-Wandler 60 wird benötigt, um die Eingangs-Gleichspannung des Hilfsbetriebe-Stromrichters 6 von beispielsweise 670 V an eine Zwischenkreisspannung des Traktionsstromrichters von beispielsweise 3 kV anzupassen. Außerdem muss der Hilfsbetriebe-Stromrichter 6 vom Zwischenkreis 10 des Traktionsstromrichters potentialmäßig getrennt werden, da der Hilfsbetriebe-Stromrichter 6 ein symmetrisches Wechselspannungssystem von beispielsweise 3 AC 440 V gegen Erdpotential liefert. Als potentialtrennender DC/DC-Wandler 60 kann ein serienresonanter DC/DC-Stromrichter gemäß 2 der eingangs genannten Veröffentlichung verwendet werden.This embodiment of the traction converter also has an auxiliary power converter 6 and a battery 58 on. This auxiliary power converter 6 and the battery 58 are each by means of a potential-separating DC / DC converter 60 with the DC-side terminals 16 and 18 the feed device 2 connected. This potential-separating DC / DC converter 60 is required to the DC input voltage of the auxiliary converter 6 For example, 670 V to adapt to an intermediate circuit voltage of the traction converter, for example, 3 kV. In addition, the auxiliary power converter must 6 from the DC link 10 of traction converter can be separated in terms of potential, since the auxiliary drive converter 6 a symmetrical AC system of, for example, 3 AC 440 V against ground potential supplies. As potential-separating DC / DC converter 60 can be a series resonant DC / DC converter according to 2 the publication mentioned above are used.

In 3 ist eine Variante der Ausführungsform der 2 näher dargestellt, die sich von der Variante der 2 dadurch unterscheidet, dass der Hilfsbetriebe-Stromrichter 6 gleichspannungsseitig mit den gleichspannungsseitigen Ausgängen 16 und 18 der Einspeisevorrichtung 2 direkt verknüpft ist. Für die Spannungsanpassung und die Potentialtrennung sind wechselspannungsseitige Anschlüsse des Hilfsbetriebe-Stromrichters 6 mit einem Transformator 62, an dessen Ausgang eine Versorgungsspannung von 440 V, 50 Hz ansteht, verbunden.In 3 is a variant of the embodiment of 2 shown in more detail, differing from the variant of 2 characterized in that the auxiliary power converter 6 DC side with the DC side outputs 16 and 18 the feed device 2 is directly linked. For the voltage adaptation and the potential separation are AC side connections of the auxiliary power converter 6 with a transformer 62 , at the output of which a supply voltage of 440 V, 50 Hz is connected.

Die Ausführungen des Traktionsstromrichters gemäß 1 bzw. 2 benötigen für die Anbindung des Hilfsbetriebe-Stromrichters 6 an den Zwischenkreis 10 einen potentialtrennenden DC/DC-Wandler 60, wobei als Stromrichterventile der dem Zwischenkreis 10 zugewandten Brückenschaltung wegen der hohen Zwischenkreisspannung von beispielsweise 3 kV abschaltbare Hochspannungs-Halbleiterschalter, insbesondere High Voltage-Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (HV-IGBT), benötigt werden. Diese HV-IGBTs weisen hinsichtlich ihres Mittelfrequenz-Schaltverhaltens hohe Verluste auf. Neben den Verlusten, die bei jeder Energiewandlung auftreten, weist der potentialtrennende DC/DC-Wandler 60 einen Transformator und gegebenenfalls noch weitere induktive Komponenten (Drosseln) auf, wodurch das Volumen und die Masse des Hilfsbetriebe-Energieversorgungspfades ansteigt. Mit diesem Anstieg steigen auch die Kosten eines derartigen Traktionsstromrichters an.The versions of the traction converter according to 1 respectively. 2 Need for the connection of the auxiliary power converter 6 to the DC link 10 a potential-separating DC / DC converter 60 , where as converter valves of the intermediate circuit 10 facing bridge circuit due to the high DC link voltage of, for example, 3 kV turn-off high-voltage semiconductor switches, in particular high voltage insulated gate bipolar transistors (HV-IGBT), are required. These HV-IGBTs have high losses in terms of their medium-frequency switching behavior. In addition to the losses that occur in each energy conversion, has the potential-separating DC / DC converter 60 a transformer and optionally further inductive components (chokes), whereby the volume and the mass of the auxiliary operation power supply path increases. This increase also increases the cost of such a traction converter.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den bekannten Traktionsstromrichter derart weiterzubilden, dass die genannten Nachteile nicht mehr auftreten.The invention is based on the object, the known traction converter in such a way that the disadvantages mentioned no longer occur.

Diese Aufgabe wird im Zusammenhang mit den Merkmalen des Oberbegriffs mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.This object is achieved in connection with the features of the preamble with the characterizing features of claim 1 according to the invention.

Dadurch, dass der Hilfsbetriebe-Stromrichter mittels einer Einrichtung zur Auskopplung einer Hilfsbetriebe-Leistung aus einer Hauptfeldspannung der Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung der Einspeisevorrichtung des Traktionsstromrichters verknüpft ist, werden im Hilfsbetriebe-Energieversorgungspfad zwei Energieumwandlungen weniger verwendet, wodurch sich sein Wirkungsgrad erhöht. Da die Einrichtung zur Auskopplung nicht mehr mit dem Zwischenkreis des Traktionsstromrichters, sondern mit der Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung der Einspeiseschaltung verknüpft ist, werden im Hilfsbetriebe-Energieversorgungspfad keine abschaltbaren Hochspannungs-Halbleiterschalter mehr benötigt, so dass sich die Verluste beim mittelfrequenten Schalten verringern.By linking the auxiliary power converter by means of a means for extracting auxiliary power from a main field voltage of the medium frequency transformer means of the traction converter feeding apparatus, two energy conversions are less used in the auxiliary power supply path, thereby increasing its efficiency. Since the device for decoupling is no longer linked to the intermediate circuit of the traction converter, but with the medium-frequency transformer device of the feed circuit, no turn-off high-voltage semiconductor switches are required in the auxiliary energy supply path, so that reduce the losses in the medium-frequency switching.

Außerdem verringert sich der Bauteileaufwand, da zwei Energiewandlungen entfallen. Daraus resultiert nicht nur eine höhere Zuverlässigkeit, sondern auch ein geringerer Platzbedarf in Verbindung mit einer Gewichtsreduzierung.In addition, the component cost is reduced, since two energy conversions are eliminated. This results not only in higher reliability, but also in less space required in conjunction with weight reduction.

Ausführungsformen der Einrichtung zur Auskopplung einer Hilfsbetriebeleistung sind den Unteransprüchen entnehmbar, wobei diese Ausführungsformen von der Ausführungsform der Einspeiseschaltung, insbesondere der Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung, des Traktionsstromrichters abhängig sind.Embodiments of the device for decoupling an auxiliary operating power can be taken from the subclaims, these embodiments being dependent on the embodiment of the feed circuit, in particular the medium-frequency transformer device, of the traction converter.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der Ausführungen einer erfindungsgemäßen Anbindung eines Hilfsbetriebe-Stromrichters bei einem Traktionsstromrichter mit einer netztrafolosen Einspeisevorrichtung schematisch veranschaulicht sind.To further explain the invention, reference is made to the drawings, in which embodiments of a connection according to the invention of an auxiliary power converter in a traction converter with a power transformer are characterized schematically schematically illustrated.

1 zeigt eine erste Ausführungsform eines gattungsgemäßen Traktionsstromrichters, wogegen in der 1 shows a first embodiment of a generic traction converter, whereas in the

2 eine zweite Ausführungsform eines gattungsgemäßen Traktionsstromrichters dargestellt ist, die 2 a second embodiment of a generic Traktionsstromrichters is shown, the

3 zeigt eine Variante der zweiten Ausführungsform eines Traktionsstromrichters nach 2, und die 3 shows a variant of the second embodiment of a traction converter after 2 , and the

4 zeigt eine erste Ausführungsform eines Traktionsstromrichters nach der Erfindung, wobei in den 4 shows a first embodiment of a traction converter according to the invention, wherein in the

5 bis 9 weitere Ausführungsformen dargestellt sind. 5 to 9 further embodiments are shown.

In 4 ist eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform eines Traktionsstromrichters mit einer netzseitigen Einspeisevorrichtung 2 in der Ausführungsform gemäß 2 näher dargestellt. Gemäß dieser Ausgestaltung ist als Einrichtung zur Auskopplung einer Hilfsbetriebeleistung aus einer Hauptfeldspannung der Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung ein weiterer Ausgangs-Stromrichter 64 vorgesehen, der wechselspannungsseitig mit einer weiteren Sekundärwicklung 66 des Mittelfrequenz-Transformators 50, der ebenfalls auf dem Kern 54 angeordnet ist, elektrisch leitend verbunden ist. An den gleichspannungsseitigen Anschlüssen dieses Ausgangs-Stromrichters 64 sind die beiden gleichspannungsseitigen Eingangsanschlüsse des Hilfsbetriebe-Stromrichters 6 angeschlossen. Auch die Batterie 58 ist mittels eines weiteren Ausgangs-Stromrichters 68 mit einer weiteren Sekundärwicklung 70 des Mittelfrequenz-Transformators 50 verknüpft. Diese beiden Ausgangs-Stromrichter 64 und 68 können genauso ausgeführt sein, wie der Ausgangs-Stromrichter 56 der Einspeisevorrichtung 2. Das heißt, als Realisierung des Ausgangs-Stromrichters 64 bzw. 68 wird jeweils ein Vierquadrantsteller vorgesehen, der wechselspannungsseitig parallel zu einer korrespondierenden weiteren Sekundärwicklung 66 bzw. 70 geschaltet ist. Mittels der weiteren Sekundärwicklung 66 wird eine gewünschte Hilfsbetriebeleistung direkt aus der Hauptfeldspannung des Mittelfrequenz-Transformators 50 der Einspeisevorrichtung 2 ausgekoppelt. Diese weitere Sekundärwicklung 66, an der der Hilfsbetriebe-Stromrichter mittels des zweiten Ausgangs-Stromrichters 64 angeschlossen ist, wird auch als Hilfsbetriebe-Wicklung 66 bezeichnet. Wegen einer Spannungsanpassung wird für diese Hilfsbetriebe-Wicklung 66 eine vorbestimmte Windungszahl gewählt.In 4 is a first embodiment according to the invention of a Traktionsstromrichters with a network-side feed device 2 in the embodiment according to 2 shown in more detail. According to this embodiment, a device for decoupling an auxiliary operating power from a main field voltage of the medium-frequency transformer device is another output converter 64 provided, the AC side with another secondary winding 66 of the medium frequency transformer 50 who is also on the core 54 is arranged, is electrically connected. At the DC-side connections of this output converter 64 are the two DC side input terminals of the auxiliary power converter 6 connected. Also the battery 58 is by means of another output converter 68 with another secondary winding 70 of the medium frequency transformer 50 connected. These two output power converters 64 and 68 may be the same as the output power converter 56 the feed device 2 , That is, as realization of the output power converter 64 respectively. 68 In each case, a Vierquadrantsteller is provided, the alternating voltage side parallel to a corresponding further secondary winding 66 respectively. 70 is switched. By means of the further secondary winding 66 becomes a desired auxiliary power directly from the main field voltage of the medium-frequency transformer 50 the feed device 2 decoupled. This further secondary winding 66 at which the auxiliary power converter by means of the second output power converter 64 Connected, is also called auxiliaries winding 66 designated. Because of a voltage adjustment is made for this auxiliary winding 66 chosen a predetermined number of turns.

Da eine gewünschte Hilfsbetriebeleistung direkt aus der Hauptfeldspannung des Mittelfrequenz-Transformators 50 der Einspeisevorrichtung 2 ausgekoppelt wird, weist die Anbindung des Hilfsbetriebe-Stromrichters 6 gegenüber einer bekannten Anbindung gemäß 1 bzw. 2 einen Hilfsbetriebe-Energieversorgungspfad auf, der zwei Energieumwandlungen weniger aufweist. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad. Darüber hinaus werden keine abschaltbaren Hochspannungs-Halbleiterschalter, insbesondere High-Voltage-Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (HV-IGBT), für die Stromrichterventile des zusätzlichen Ausgangs-Stromrichters 64 benötigt. Derartige abschaltbare HV-IGBTs weisen hinsichtlich ihres Mittelfrequenz-Schaltverhaltens hohe Verluste auf. Da derartige HV-IGBTs nicht mehr vonnöten sind, verringern sich die Verluste im Hilfsbetriebe-Energieversorgungspfad, wodurch sich der Wirkungsgrad erhöht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch den Austausch des potentialtrennenden DC/DC-Wandlers 60 der Ausführungsform gemäß 2 durch den weiteren Ausgangs-Stromrichter 64 ein Mittelfrequenz-Transformator und abschaltbare Hochspannungs-Halbleiterschalter im Hilfsbetriebe-Energieversorgungspfad eingespart werden, wodurch sich der Platzbedarf und damit das Gewicht für eine Hilfsbetrieb-Stromversorgung verringert, deren Zuverlässigkeit aber erhöht wird. Durch diese Verringerung des Gewichtes des Hilfsbetriebe-Energieversorgungspfades werden Kosten eingespart.Since a desired auxiliary power directly from the main field voltage of the medium-frequency transformer 50 the feed device 2 is disengaged, indicates the connection of the auxiliary power converter 6 compared to a known connection according to 1 respectively. 2 an auxiliary power supply path that has two energy conversions less. This increases the efficiency. In addition, no turn-off high-voltage semiconductor switches, in particular high-voltage insulated gate bipolar transistors (HV-IGBT), for the converter valves of the additional output converter 64 needed. Such turn-off HV IGBTs have high losses in terms of their medium-frequency switching behavior. Since such HV IGBTs are no longer needed, the losses in the auxiliary power supply path decrease, thereby increasing the efficiency. Another advantage is that the replacement of the potential-separating DC / DC converter 60 the embodiment according to 2 through the other output power converter 64 a medium-frequency transformer and turn-off high-voltage semiconductor switches can be saved in the auxiliary power supply path, which reduces the space required and thus the weight for an auxiliary power supply, but whose reliability is increased. This reduction in the weight of the auxiliary utility power path saves costs.

Die 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Traktionsstromrichters nach der Erfindung. Auch dieser Traktionsstromrichter weist eine Einspeisevorrichtung 2 auf, die wie in der Ausführungsform gemäß 4 einen Mittelfrequenz-Transformator 50 als Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung der Einspeisevorrichtung 2 aufweist. Bei diesem Mittelfrequenz-Transformator 50 sind eine Vielzahl von Primärwicklungen 48 und eine Sekundärwicklung 52 mittels eines Kerns 54 miteinander magnetisch gekoppelt. Bei dieser Ausführungsform ist als Einrichtung zur Auskopplung einer vorbestimmten Hilfsbetriebeleistung aus einer Hauptfeldspannung des Mittelfrequenz-Transformators 50 ein Mittelfrequenz-Hilfsbetriebe-Transformator 72 mit einem nachgeschalteten weiteren Ausgangs-Stromrichter 64 vorgesehen. Der Mittelfrequenz-Hilfsbetriebe-Transformator 72 ist einphasig ausgebildet, wobei dessen Primärwicklung 74 elektrisch parallel zur Sekundärwicklung 52 des Mittelfrequenz-Transformators 50 der trafolosen Einspeisevorrichtung 2 eines Traktionsstromrichters geschaltet ist. Seine Sekundärwicklung 76 ist elektrisch parallel zu wechselspannungsseitigen Anschlüssen des weiteren Ausgangs-Stromrichters 64, insbesondere eines Vierquadrantenstellers, geschaltet. Mit den gleichspannungsseitigen Anschlüssen dieses Ausgangs-Stromrichters 64 ist der Hilfsbetriebe-Stromrichter 6 mit seinen gleichspannungsseitigen Anschlüssen verknüpft. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass der Mittelfrequenz-Transformator 50 unverändert bleibt. Eine Spannungsanpassung erfolgt durch das Übersetzungsverhältnis des Mittelfrequenz-Hilfsbetriebe-Transformators 72.The 5 shows a further embodiment of a traction converter according to the invention. This traction converter also has a feed device 2 auf, as in the embodiment according to 4 a medium frequency transformer 50 as a medium-frequency transformer device of the feed device 2 having. In this medium-frequency transformer 50 are a variety of primary windings 48 and a secondary winding 52 by means of a core 54 magnetically coupled together. In this embodiment, means for extracting a predetermined auxiliary power from a main field voltage of the medium-frequency transformer 50 a medium frequency auxiliary transformer 72 with a downstream further output converter 64 intended. The medium frequency auxiliary transformer 72 is single-phase, with its primary winding 74 electrically parallel to the secondary winding 52 of the medium frequency transformer 50 the transformerless feeding device 2 a traction converter is connected. His secondary winding 76 is electrically parallel to AC side terminals of the other output power converter 64 , in particular a four-quadrant actuator, switched. With the DC-side connections of this output converter 64 is the auxiliary power converter 6 linked to its DC side connections. The advantage of this embodiment is that the medium-frequency transformer 50 remains unchanged. A voltage adjustment is made by the gear ratio of the intermediate frequency auxiliary transformer 72 ,

In 6 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Traktionsstromrichters dargestellt, die sich von der Ausführungsform gemäß 5 dadurch unterscheidet, dass diese netztrafolose Einspeisevorrichtung 2 anstelle eines Ausgangs-Stromrichters 56 zwei Ausgangs-Stromrichter 78 und 80 aufweist, die gleichspannungsseitig elektrisch in Reihe geschaltet sind. Diese beiden Ausgangs-Stromrichter 78 und 80 sind wechselspannungsseitig jeweils mit einer Sekundärwicklung 52 und 82 verbunden. Die Primärwicklung 74 des Mittelfrequenz-Hilfsbetriebe-Transformators 72 ist elektrisch parallel zu den beiden wechselspannungsseitigen Anschlüssen der beiden elektrisch in Reihe geschalteten Ausgangs-Stromrichter 78 und 80 geschaltet.In 6 a further embodiment of the traction converter according to the invention is shown, which differs from the embodiment according to FIG 5 this differs in that this netztrafolose feed device 2 instead of an output converter 56 two output power converters 78 and 80 has, which are electrically connected in series on the DC side. These two output power converters 78 and 80 are alternating voltage side each with a secondary winding 52 and 82 connected. The primary winding 74 of the medium frequency auxiliary transformer 72 is electrically parallel to the two AC-side terminals of the two output power converters connected in series electrically 78 and 80 connected.

Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Traktionsstromrichters gemäß 7 ist als Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung eine Vielzahl von Einzeltransformatoren 84 vorgesehen, die sekundärseitig alle elektrisch parallel geschaltet sind. Elektrisch parallel zu den gleichspannungsseitigen Ausgängen 16 und 18 der Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung ist der Ausgangs-Stromrichter 56 mit nachgeschalteten selbstgeführten Pulsstromrichter 4 und die Primärwicklung 74 des Mittelfrequenz-Hilfsbetriebe-Transformators 72 geschaltet.In a further embodiment of the traction converter according to the invention 7 As a medium-frequency transformer device is a plurality of individual transformers 84 provided, which are all electrically connected in parallel on the secondary side. Electrical parallel to the DC side outputs 16 and 18 the medium frequency transformer means is the output power converter 56 with downstream self-commutated pulse-controlled converter 4 and the primary winding 74 of the medium frequency auxiliary transformer 72 connected.

Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Traktionsstromrichters gemäß 8 ist die Vielzahl der Einzeltransformatoren 84 der Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung in zwei Gruppen unterteilt. Dies wird dadurch erreicht, dass jeweils die Einzeltransformatoren 84 einer Gruppe sekundärseitig elektrisch parallel geschaltet sind. Elektrisch parallel zu den Ausgangs-Anschlüssen 86 und 88 einer jeden Gruppe ist eine Primärwicklung 90 und 92 eines Mittelfrequenz-Hilfsbetriebe-Transformators 94 und ein Ausgangs-Stromrichter 78 und 80 geschaltet. Eine Sekundärwicklung 96 des Mittelfrequenz-Hilfsbetriebe-Transformators 94 ist ausgangsseitig mit dem weiteren Ausgangs-Stromrichter 64 verknüpft. Die beiden Ausgangs-Stromrichter 78 und 80 sind bei dieser Ausführungsform gleichspannungsseitig elektrisch parallel geschaltet.In a further embodiment of the traction converter according to the invention 8th is the multitude of individual transformers 84 the medium frequency transformer device is divided into two groups. This is achieved by each of the individual transformers 84 a group secondary side electrically connected in parallel. Electrically parallel to the output connections 86 and 88 Each group is a primary development 90 and 92 a medium frequency auxiliary transformer 94 and an output power converter 78 and 80 connected. A secondary winding 96 of the medium frequency auxiliary transformer 94 is the output side with the other output converter 64 connected. The two output power converters 78 and 80 are electrically connected in parallel in the DC voltage side in this embodiment.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Traktionsstromrichters gemäß der 9 sind die Vielzahl von Einzeltransformatoren 84 der Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung der netztrafolosen Einspeisevorrichtung 2 eines Traktionsstromrichters ebenfalls kaskadiert. Elektrisch parallel zu den Ausgängen 86 und 88 zweier der Transformatoren 84 ist ein Mittelfrequenz-Hilfsbetriebe-Transformator 98 bzw. 100 geschaltet. Die Sekundärwicklungen 102 und 104 dieser beiden Mittelfrequenz-Transformatoren 98 und 100 sind elektrisch in Reihe geschaltet. Elektrisch parallel zu dieser Reihenschaltung von Sekundärwicklungen 102 und 104 ist der weitere Ausgangs-Stromrichter 64 mit nachgeschaltetem Hilfsbetriebe-Stromrichter 6 geschaltet.In a further embodiment of the traction converter according to the invention according to 9 are the multitude of individual transformers 84 the medium-frequency transformer device of the power-less feed device 2 a traction converter also cascaded. Electric parallel to the outputs 86 and 88 two of the transformers 84 is a medium frequency auxiliary transformer 98 or 100 switched. The secondary windings 102 and 104 of these two medium-frequency transformers 98 and 100 are electrically connected in series. Electrically parallel to this series of secondary windings 102 and 104 is the other output converter 64 with downstream auxiliary drive converter 6 connected.

In den Ausführungsformen der 4 bis 9 ist für jeden Traktionsstromrichter mit einer netztrafolosen Einspeisevorrichtung 2 jeweils eine Ausführungsform für eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Auskopplung einer gewünschten Hilfsbetriebeleistung aus einer Hauptfeldspannung der Mittelfrequenz-Tranformator-Einrichtung einer trafolosen Einspeisevorrichtung 2 angegeben, mit der ein Hilfsbetriebe-Stromrichter 6 erfindungsgemäß mit der Einspeisevorrichtung 2 und nicht mehr mit einem Zwischenkreis 10 des Traktionsumrichters verbunden ist. Durch diese Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Auskopplung einer vorbestimmten Hilfsbetriebeleistung aus einer Hauptfeldspannung der Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung einer Einspeiseschaltung 2 eines transformatorlosen Traktionsstromrichters werden zwei Energieumwandlungen im Hilfsbetriebe-Energieversorgungspfade eingespart, die zu einer Kosteneinsparung führen und die Zuverlässigkeit erhöht.In the embodiments of the 4 to 9 is for every traction converter with a mains transformer 2 in each case an embodiment of an inventive device for decoupling a desired auxiliary operating power from a main field voltage of the medium-frequency transformer means of a transformerless feeding device 2 specified with the one auxiliary power converter 6 according to the invention with the feed device 2 and no longer with a DC link 10 of the traction converter is connected. By these embodiments of a device according to the invention for decoupling a predetermined auxiliary operating power from a main field voltage of the medium-frequency transformer device of a feed circuit 2 A transformerless traction converter saves two energy conversions in the auxiliary power supply paths, resulting in cost savings and increased reliability.

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Claims (10)

Traktionsstromrichter mit einer netzseitigen Einspeisevorrichtung (2), einem lastseitigen selbstgeführten Pulsstromrichter (4) und einem Hilfsbetriebe-Stromrichter (6), wobei diese Einspeisevorrichtung (2) eingangsseitig eine Vielzahl elektrisch in Reihe geschalteter primärer Stromrichter-Gruppen (38) aufweist, die mittels einer Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung mit wenigstens einem Ausgangs-Stromrichter (56) verknüpft sind, dessen gleichspannungsseitige Anschlüsse mit gleichspannungsseitigen Anschlüssen des lastseitigen selbstgeführten Pulsstromrichters (4) elektrisch leitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsbetriebe-Stromrichter (6) mit einer Einrichtung zur Auskopplung einer Hilfsbetriebeleistung aus der Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung verknüpft ist.Traction converter with a mains supply device ( 2 ), a load-side self-commutated pulse-controlled converter ( 4 ) and an auxiliary power converter ( 6 ), this feed device ( 2 ) on the input side a plurality of electrically connected in series primary converter groups ( 38 ) by means of a medium-frequency transformer device with at least one output power converter ( 56 ) whose DC-side connections with DC-side terminals of the load-side self-commutated pulse converter ( 4 ) are electrically conductively connected, characterized in that the auxiliary power converter ( 6 ) is associated with a means for coupling an auxiliary power from the medium-frequency transformer means. Traktionsstromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Auskopplung eine Sekundärwicklung (66) mit nachgeschaltetem weiteren Ausgangs-Stromrichter (64) ist, dessen gleichspannungsseitigen Anschlüssen mit gleichspannungsseitigen Anschlüssen des Hilfsbetriebe-Stromrichters (6) verknüpft sind.Traction converter according to claim 1, characterized in that the device for decoupling a secondary winding ( 66 ) with downstream further output converter ( 64 ) whose DC-side connections with DC-side terminals of the auxiliary power converter ( 6 ) are linked. Traktionsstromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Auskopplung ein Mittelfrequenz-Hilfsbetriebe-Transformator (72, 94, 98, 100) mit sekundärseitigem weiteren Ausgangs-Stromrichter (64) ist, dessen gleichspannungsseitige Anschlüsse mit gleichspannungsseitigen Anschlüssen des Hilfsbetriebe-Stromrichters (6) verknüpft sind.A traction converter according to claim 1, characterized in that the means for decoupling a medium frequency auxiliary transformer ( 72 . 94 . 98 . 100 ) with secondary-side further output converter ( 64 ) whose DC-side connections with DC-side terminals of the auxiliary power converter ( 6 ) are linked. Traktionsstromrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelfrequenz-Hilfsbetriebe-Transformator (72, 94) einphasig ausgeführt ist.Traction converter according to claim 3, characterized in that the medium-frequency auxiliary transformer ( 72 . 94 ) is carried out in a single phase. Traktionsstromrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der einphasige Mittelfrequenz-Hilfsbetriebe-Transformator (94) zwei Primärwicklungen (90, 92) aufweist, die mittels eines Kerns magnetisch gekoppelt sind.Traction converter according to claim 4, characterized in that the one-phase medium-frequency auxiliary transformer ( 94 ) two primary windings ( 90 . 92 ) which are magnetically coupled by means of a core. Traktionsstromrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklungen (102, 104) zweier einphasiger Mittelfrequenz-Hilfsbetriebe-Transformatoren (98 100) elektrisch in Reihe geschaltet sind und die jeweils mittels eines Kerns mit einer Primärwicklung (90, 92) gekoppelt sind.Traction converter according to claim 4, characterized in that the secondary windings ( 102 . 104 ) of two single-phase medium frequency auxiliary transformer ( 98 100 ) are electrically connected in series and each by means of a core having a primary winding ( 90 . 92 ) are coupled. Traktionsstromrichter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre Stromrichter-Gruppe (38) eingangsseitig einen Vierquadrantensteller (42) und ausgangsseitig einen resonant schaltenden Stromrichter (46) aufweist, die gleichspannungsseitig miteinander verknüpft sind.Traction converter according to one of the preceding claims, characterized in that the primary converter group ( 38 ) on the input side a four-quadrant ( 42 ) and the output side a resonant switching power converter ( 46 ), which are linked together on the DC voltage side. Traktionsstromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung eine Vielzahl von Primärwicklungen (48) und wenigstens eine Sekundärwicklung (52) auf einem Kern (54) aufweist.Traction converter according to one of claims 1 to 6, characterized in that the medium-frequency transformer means comprises a plurality of primary windings ( 48 ) and at least one secondary winding ( 52 ) on a core ( 54 ) having. Traktionsstromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung eine Vielzahl von einphasigen Transformatoren (84) aufweist.Traction converter according to one of claims 1 to 6, characterized in that the medium-frequency transformer means comprises a plurality of single-phase transformers ( 84 ) having. Traktionsstromrichter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als weiterer Ausgangs-Stromrichter (64) ein Vierquadrantensteller vorgesehen ist.Traction converter according to claim 2 or 3, characterized in that as a further output converter ( 64 ) a four-quadrant is provided.
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